專利名稱：一種城市排水系統(tǒng)蓄水池水位的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，涉及到智能控制中的預(yù)測(cè)控制技術(shù)，具體是一種在分層控制原理的基礎(chǔ)上，利用預(yù)測(cè)控制來控制蓄水池水位的方法。
背景技術(shù)：
城市排水系統(tǒng)的主要功能是收集城市污水和雨水，并通過下水管道排放到污水處理廠。但是，由于下水管道的蓄水能力、水泵排水能力、污水處理廠污水處理能力等多種因素的限制，在暴雨來臨時(shí)，城市排水系統(tǒng)往往會(huì)發(fā)生溢流，從而帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。為了減少城市排水管道污水溢出情況的發(fā)生，一種方法是建設(shè)一些大的存儲(chǔ)設(shè)備，諸如水庫、儲(chǔ)水池等。另一種方法是實(shí)時(shí)過程控制，它作為一種低耗高效的方法被廣泛采用。在實(shí)時(shí)過程控制中，排水系統(tǒng)中的閘門、水泵等控制設(shè)備可以通過中央控制室受到控制，從而減少排水管道污水溢出情況的發(fā)生。但兩者的不足之處在于
1.建設(shè)一些大的存儲(chǔ)設(shè)備工程耗資大，設(shè)備很容易長期閑置，而且由于受到城市地區(qū)的水文、政府政策、經(jīng)濟(jì)等因素的影響，毫無限制地增加下水道容量使其不發(fā)生溢流也是不切實(shí)際的。2.在實(shí)時(shí)過程控制方面，多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的控制策略，較少涉及到智能控制方面，不能很好的解決污水溢出問題以及降低能耗。3.在國內(nèi)，由于自動(dòng)化水平低，在整個(gè)排水系統(tǒng)中，存在很多不確定因素。對(duì)于傳統(tǒng)的控制方法，比如PID、PLC控制已不能滿足工藝的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種蓄水池水位控制方法，具體是利用預(yù)測(cè)控制技術(shù)控制蓄水池的水位的方法。該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制器的不足，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)滿足魯棒穩(wěn)定性能，使得性能指標(biāo)不超過設(shè)定的水位值。該發(fā)明是在分析城市排水系統(tǒng)實(shí)際操作者的操作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用城市地理信息管理系統(tǒng)所建立的近似城市管網(wǎng)系統(tǒng)，將整個(gè)城市管網(wǎng)系統(tǒng)分成若干層，每個(gè)層又可以分成若干個(gè)典型的排水系統(tǒng)局部，每個(gè)局部系統(tǒng)運(yùn)用預(yù)測(cè)控制解決好局部的污水溢出最小化問題，最后將使整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域達(dá)到污水溢出最小化。通過選擇輸入輸出變量，設(shè)計(jì)出預(yù)測(cè)控制器，在充分利用系統(tǒng)所有蓄水設(shè)備的前提下，使區(qū)域污水溢出污染最小化，提高了城市的防洪抗?jié)衬芰Γ槌鞘信潘到y(tǒng)的操作從手動(dòng)向自動(dòng)轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。該控制方法具有很強(qiáng)的智能性，能根據(jù)蓄水池的水位變化，提供最佳的間門開啟情況，使蓄水池的水位同步變化，避免在一個(gè)特定的區(qū)域發(fā)生了污水溢出而剩余的蓄水系統(tǒng)卻閑置的情況發(fā)生，最終達(dá)到區(qū)域污水溢出污染最小化。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是通過數(shù)據(jù)采集、過程辨識(shí)、預(yù)測(cè)控制技術(shù)，確立了一種蓄水池水位的基于不確定水位模型的預(yù)測(cè)控制方法，利用該控制方法減小不確定因素對(duì)水位的影響。本發(fā)明方法的步驟包括
1.確定狀態(tài)變量以及控制變量的初始值。具體方法是利用實(shí)際范例和在水位控制中閘門以及一些其他控制單元的參數(shù)情況，通過對(duì)范例數(shù)據(jù)的處理得到間門的初始開啟情況，從而得到下水管道水流的初始流量值，即控制變量的初始值。然后，通過在線采集的水位值作為控制器的輸入，由控制器校正水位。獲得蓄水池初始水位值的方法通過推理算法實(shí)現(xiàn)，該方法是成熟技術(shù)，廣泛使用在醫(yī)療、化工等領(lǐng)域。這里將推理算法應(yīng)用在城市排水工程中。2.建立水位模型。為了控制蓄水池的水位在一個(gè)穩(wěn)定的值范圍內(nèi)，我們需要根據(jù)實(shí)際的城市排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后根據(jù)模型進(jìn)行仿真分析。假設(shè)外部的污水流入量不發(fā)生突變(即外部流入量的變化是連續(xù)的)，我們以下水管道中的水位高度作為狀態(tài)變量，外部的污水流入量作為影響水位高度的一個(gè)外部擾動(dòng)。因?yàn)橥獠苛魅肓康牟淮_定性，這樣我們就可以建立一個(gè)模型參數(shù)不確定的系統(tǒng)模型，通過引入像外部流入量這樣的狀態(tài)變量，從而可以得到一個(gè)線性時(shí)變的不確定性模型。具體方法是第一步，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，即流入和流出蓄水池的水流量保持平衡。可得蓄水區(qū)的方程式為
Kt+1)- km=OiQin m - Qm 伏)-Q體 m)(ι)
式(ι)中，Gfe㈦一 Λ時(shí)刻流出閘門的水流流量，Qmik) - k時(shí)刻流出閘門的水流流
量，—i時(shí)刻溢流流出蓄水區(qū)的水流量，Hk) —t時(shí)刻蓄水區(qū)的水位高度，即蓄水區(qū)的水位高度與流入蓄水區(qū)的水流量和流出蓄水區(qū)的水流量以及溢流量有關(guān)，Of是與蓄水池的特性有關(guān)的參數(shù)模型(例如蓄水池的橫截面積)，且OSaSl。這個(gè)時(shí)候我們的控制目的主要是控制由于外部流入量的變化造成水流不穩(wěn)定，對(duì)系統(tǒng)有一個(gè)干擾的情況，從而使管道中的水位維持在一個(gè)我們?cè)O(shè)定值的范圍內(nèi)，達(dá)到降低能耗的目的。設(shè)期望水位為~ ,并令
權(quán)利要求
1. 一種城市排水系統(tǒng)蓄水池水位的控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟 步驟1.確定狀態(tài)變量的初始值和控制變量的初始值，具體方法是利用實(shí)際范例、在水位控制中閘門以及下水管道的物理參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)作階躍響應(yīng)，得到閘門的初始開啟情況； 根據(jù)系統(tǒng)的變化曲線，得到下水管道水流的初始流量值和水位的初始值，即控制變量的初始值和狀態(tài)變量的初始值；步驟2.建立水位模型，具體方法是 第一步，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，得蓄水區(qū)的方程式其中，aw表示是時(shí)刻流入閘門的水流流量，qj表示先時(shí)刻流出閘門的水流流量，q賺m表示免時(shí)刻溢流流出蓄水區(qū)的水流量，Hk)表示λ時(shí)刻蓄水區(qū)的水位高度，α 是與蓄水區(qū)的特性有關(guān)的參數(shù)，；然后引入變量
全文摘要
本發(fā)明涉及一種城市排水系統(tǒng)蓄水池水位的控制方法?，F(xiàn)有的過程控制中多數(shù)還是采用傳統(tǒng)的控制策略，較少涉及到智能控制方面，不能很好的解決污水溢出問題以及降低能耗。本發(fā)明在分析城市排水系統(tǒng)實(shí)際操作者的操作經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，利用城市地理信息管理系統(tǒng)所建立的近似城市管網(wǎng)系統(tǒng)，將整個(gè)城市管網(wǎng)系統(tǒng)分成若干層，每個(gè)層又可以分成若干個(gè)典型的排水系統(tǒng)局部，每個(gè)局部系統(tǒng)運(yùn)用預(yù)測(cè)控制解決好局部的污水溢出最小化問題，最后將使整個(gè)系統(tǒng)區(qū)域達(dá)到污水溢出最小化。本發(fā)明提出的控制技術(shù)可以有效減小不確定因素對(duì)水位的影響，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)控制器的不足，保證了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)蓄水池的水位值不超過指定值。
文檔編號(hào)E03F5/10GK102183972SQ20111007228
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者王建中, 薛安克, 袁剛, 鄒洪波, 魯仁全 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)